基于EthernetIP交通灯控制系统设计说明

辽宁工业大学工业控制网络课程设计（论文）题目：基于Ethernet/IP远程交通灯控制
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指导教师：（签字）
起止时间： 2016.1.4—2016.1.15
课程设计（论文）任务及评语院（系）：教研室：
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要
本设计运用Roekwell公司的PLC、控制器、监控画面组态软件、编程软件和通讯软件，通过EtherNet/IP星型网络来构建一个交通灯控制系统，是一个具有现代标准、高可靠性、高自动化程度的一体化控制系统。

本文采用罗克韦尔的AB可编程控制器ControlLogix，其集电源、处理器、I/O及支持Ethernet/IP协议的通信接口于一体，经济实用；梯形图逻辑编程软件RSLogix 5000及支持ControlLogix通信的RSLinx，以及Factory Talk View SE 组态软件进行远程监控，基于以太网协议设计并实现了交通灯智能控制，主要包括硬件结构、网络通讯、控制逻辑编程以及监控界面的设计与实现，具有较强的抗干扰能力，系统结构简单紧凑，可靠性高。

关键词：交通灯；Ethernet/IP；罗克韦尔；Netlinx网络
目录
第1章绪论 (1)
第2章课程设计的方案 (4)
2.1 概述 (4)
2.2 方案设计 (4)
2.3 设计完成的功能 (5)
第3章硬件设计 (6)
3.1 罗克韦尔控制系统 (6)
3.2 控制器 (6)
3.3 通信模块 (8)
3.4 I/O模块 (8)
3.5 I/O分配表 (10)
第4章软件设计 (12)
4.1 通信网络 (12)
4.2 控制器硬件组态 (14)
4.3 监控画面组态 (20)
第5章系统测试与试验结果 (22)
第6章课程设计总结 (25)
参考文献 (26)
第1章绪论
目前，随着控制、计算机、通信以及网络等技术的发展，工业网络从传统的基于模拟信号的传输系统发展到数字化、分散化、智能化的现场总线系统，给工业自动化带来一场革命。

但长期以来现场总线标准的多样性和互不兼容阻碍了现场总线技术的进一步发展，也使得系统集成与信息集成面临着诸多困难。

而以太网作为目前最流行的局域网体系结构，它具有开放性、低成本、广泛应用的软硬件支持等优势。

另外，Internet等信息技术的飞速发展要求企业从现场设备到管理层能够实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，这使得以太网全面应用于工业控制领域成为可能。

因此，对工业以太网应用系统的研究十分必要。

各种现场总线被广泛应用于现场级工业控制系统，而工业以太网则开始被用于现场级工业控制系统与企业管理级系统的信息交互。

工业自动化体系的网络架构研究及相关应用已经成为了研究热点。

本论文通过对罗克韦尔自动化的NetLinx三层网络架构，并重点结合基于Ethernet/IP远程交通灯的控制实例，探讨了基于现场总线和工业以太网的控制系统的实现。

罗克韦尔网络是一种新型的基于生产者/消费者模式的满足工业实时性的高速总线网络。

与传统控制体系相比，Rockwell自动化系统提供的网络结构更加高效、开放，它将工业系统分化为信息层（Ethernet/IP工业以太网）、控制层（ControlNet控制网）、设备层（DeviceNet设备网）的三层结构。

它是搭建Rockwell现场总线系统的核心，其各层网络结构如图1.1所示。

图1.1 罗克韦尔的三层网络结构
最底层是连接传感器开关和设备级的网络（DeviceNet），与其上两层相比，设备层需要传送的数据零散，只需要安装方便，经济合理。

中间的一层是控制层，是过程控制的关键层，该层常常需要传送大量的I/O报文以及对等通讯信息，要有高确定性和可重复性，是连接控制器和I/O的网络。

大量的数据也对ControlNet 提出了的高速性、准确性要求，它除了要可以对I/O隐性报文进行传输外，对于显性报文也必须很好的传输，可以说它是当前工业控制层最可靠的协议。

最上层是信息层，一般情况都下都是使用以太网（Ethernet/IP），使用TCP/IP协议。

以太网可以传递大量信息，并且通讯距离很远，通用性也很好。

在本体系中，以太网上可设有系统主控设备。

系统管理员可在这层网上对系统进行监控，对控制器中的程序进行修改，使计算机系统存取生产现场的数据，从而达到实时监控的目的，并提供对可编程控制器的支持。

控制网完成智能化的高速实时控制，并共享数据和信息。

设备网主要用于控制和监视设备的协调，操作员接口、远程设备的组态，编程和故障处理。

数据可以双向流通，也可以在层与层之间交换，涉及具体应用时，根据需要可以采用其中的某一层或某几层实现用户所需要的控制功能。

NetLinx三层网络分为信息层、控制层和设备层，它们的任务分别对应为信息的采集、控制的操作和I/O数据的交换。

Rockwell自动化将CIP（Common Industrial Protocol通用工业协议）作为NetLinx网络顶层公共规范，它是高于物理层和数据链路层的面向对象协议，由对象建模、协议、通信对象、对象库、设备描述、设备配置和数据管理等组成，使用该CIP可以实现三层网络的互相连接。

该协议支持多处理器协同工作，网络上任何一个处理器都有属于自己的输入输出，但又同时监控网络上所有其它处理器的输入输出状态。

这样网络上所有的设备能够更好的完成实时互锁，进行报文传送时更具有实时性。

在Ethernet/IP方面，国际上有许多组织从事Ethernet/IP的研究工作，对其进一步标准化。

在国内，科技部也制定了工业以太网Ethernet/IP研究目标：攻克工业以太网Ethernet/IP的一系列关键技术，其中包括攻克网络的实时性、一致性、可靠性、抗干扰性和本质安全等难题，同时开始研制开发支持Ethernet/IP的现场设备、系统集成和应用系统软件。

第2章课程设计的方案
2.1概述
我国社会和经济的持续快速发展，城市化的步伐正在加快，城市规模不断扩大，从而导致机动车拥有量的持续增加，交通问题日趋复杂。

因此，改善与提高现有的交通系统的效率已成为当务之急，而提高交通控制系统的效率更是重中之重。

本设计由控制器，远程I/O模块，协议转换模块，输入模块和输出模块组成，启动和停止按钮接入输入模块，交通灯接入输出模块。

通过程序的编写，当按下启动按钮时，交通灯按照设计要求亮灭，并由定时器控制亮灭时间，重复循环，从而达到设计目的。

当按下停止按钮后，所有灯全部熄灭。

2.2方案设计
传统的单片机控制交通灯系统结构简单，功能较为容易实现，但是其可靠性不高，无法实现对整体网络交通的控制；而且，它的智能化程度不高，缺乏实时控制效果，可拓展性不强。

为此，本文设计了一种基于Rockwell现场总线系统的交通灯监控系统，总体框图如图2.1所示。

图2.1 控制系统框图
通过对Rockwell控制系统和交通灯控制策略的介绍，其Ethernet/IP控制网
络结构如图2.2所示。

当整个交通网络处于正常运行状态时，交通灯监控系统根据常规程序实现对各交通灯的控制，按照交通规则对交通灯进行切换，保障各路口通行的安全和畅通。

图2.2 Ethernet/IP控制网络结构图
2.3设计完成的功能
本设计的交通灯监控系统需要对十字路口的交通灯进行优化控制，通过对交通规则和基本交通控制策略的了解，以及现场的实际观察，制定的控制策略如下：
1、北红灯亮维持30秒，在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，并维持25秒，到25 秒时，东西方向绿灯闪，闪亮3秒后，绿灯灭。

在东西绿灯熄灭的同时，东西黄灯亮，并维持2秒，到2秒时，东西黄灯灭，东西红灯亮。

同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。

2、西红灯亮维持30秒。

南北绿灯亮维持25秒，然后闪亮3秒，再熄灭。

同时南北黄灯亮，并维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。

到停止按钮被按下为止。

第3章硬件设计
3.1罗克韦尔控制系统
本设计使用的是美国Rockwell Allen-Bradley（AB）公司的ControlLogix系统。

ControlLogix系统包括：ControlLogix控制器、适用于不同组合的用户存储器、RSLogix 5000编程软件、FLEX I/O模块、用于网络通信的独立通信模块。

ControlLogix面板基本设计的特点是：控制器在控制系统中只作为控制的核心，而不再作为通信和连接的枢纽；无需控制器的介入，基板上任一个设备可以发出广播信息，进而和任何一个设备进行通讯；提高了系统的带宽和性能，为构造一个控制系统提供了极大的方便，让控制器更好的专注于控制。

本系统适合顺序、过程、传动和运动控制的模块化、高性能控制平台，每个ControlLogix处理器可以执行多个控制任务，减少所需要的控制器个数，这样，排错更快，可以分别触发多个周期任务以便达到更高的性能水平。

ControlLogix 平台的高性能，源于作为快速NetLinx网络操作的ControlLogix背板，ControlLogix处理器，I/O和通讯模块就像网络上的智能节点。

通用的编程环境和Logix控制引擎，无论选用怎样的平台和网络，通过使用通用的控制模型，都可以降低系统成本，简化集成。

组态和编程是一致的，这样，不论开始的程序开发还是长远的系统维护，都可以少花力气。

连接到NetLinx开放式网络结构，在全厂范围内，从车间到管理层，从互连网到电子化制造应用，信息全部无缝通讯。

I/O模块种类繁多，模拟量、数字量和专用I/O模块满足应用要求。

简单的ControlLogix系统由单个机架中的一个独立控制器和多个I/O模块组成。

如果要实现更全面的系统,则需要在单个机架中使用多个控制器，使用多个跨网络连接的控制器,使用分布在多个位置并通过多个I/O链路连接的多个平台中的I/O。

3.2控制器
ControlLogix是罗克韦尔自动化公司推出的AB系列模块化PLC，它将顺序控制、过程控制、传动控制及运动控制、通讯、I/O技术集成在一个平台上，可以为各种工业应用提供强有力的支持。

该控制器具有小型、使用简单、通用性强、经济而又快速、高效的特点。

它采用固定式控制器、硬件的紧凑设计，使其更适应有限的安装空间。

另外，它还可以与多种网络建立接口，使各个控制站之间能
够按照客户要求进行信息交换。

ControlLogix控制器提供了一种可升级的解决方案，能对大数量的输入输出点进行寻址。

ControlLogix控制器可以插入ControlLogix输入输出机架的任一槽位中，多个控制器能插在同一个机架中，相互之间通过机架背板进行通讯但互相独立工作。

ControlLogix控制器通过ControlLogix背板对输入输出进行监控，与同在输入输出链路上一样。

ControlLogix控制器能通过RS-232-C（DF1/DH-485协议）、DeviceNet、DH+、ControlNet、EtherNet/IP与计算机或其他处理器进行通讯。

如果需要ControlLogix控制器支持某种通讯，只需在机架中插入相应的通讯接口模块即可，控制器Logix5561如图3.1所示。

图3.1 控制器Logix5561
ControlLogix控制器多任务操作系统支持32个可配置的任务，这些任务可被设置成不同优先级，只有一个任务作为连续任务运行，其他任务或者由
1756-L61周期性运行或由事件来触发。

每一个任务最多可有100个程序，包括定时器、和计数器指令，同时还包括用于序列发生器、高速计数器和转换寄存器的指令。

一个典型的500条指令的程序运行时间只有1.56ms，支持多达6种编程语言。

每一个程序有它自己的局部数据和处理逻辑，允许在同一个控制器中运行多个虚拟机（Virtual Machine）。

1756-L61 ControlLogix控制器内有1个内置RS-232端口，用户存储器大小为2MB。

3.3通信模块
不同的通信模块适用于不同的网络，在ControlLogix背板中安装多个通信模块可在不同的网络间对控制和信息数据进行桥接或路由，最多可在四个机架（八个通信跳转）之间路由消息。

EtherNet/IP网络，该网路应用于工厂管理（物料输送）、单个高速网络上的组态、数据采集及控制、时间要求苛刻的应用、包含商业技术的应用(例如IP 视频)、Internet/Intranet连接、集成CIP Motion和CIP Safety等方面。

以太网工业网络协议（EtherNet/IP）是一种开放式工业网络标准，既支持实时I/O消息传递，也支持消息交换。

EtherNet/IP网络使用现成的以太网通信芯片和物理介质。

在EtherNet/IP网络中，ControlLogix通过ENB模块与计算机进行通讯，实现程序的下载、在线调试及修改、数据实时监测。

1794-AENT为EtherNet/IP网络FLEX I/O模块适配器模块，如图 3.2所示，1756-ENBT为EtherNet/IP网桥，介质为铜缆，通信速率10/100 Mbps，TCP/IP连接数为64，Logix连接数为128。

图3.2 1794-AENT模块
3.4I/O模块
ControlLogix架构可提供各种输入与输出模块，适用于从高速数字到过程控制等多种应用。

ControlLogix架构使用生产者/消费者模式，因此输入信息和输
出状态可在多个控制器之间共享。

每个ControlLogix I/O模块都安装在ControlLogix机架中，需要可拆卸端子块(RTB)或者1492接口模块(IFM)才能连接所有现场接线。

利用可拆卸端子块(RTB)可将工厂接线与1756 I/O模块灵活地交互，RTB插在I/O模块的前面，模块的类型决定了所需的RTB。

罗克韦尔自动化提供了多种可用于ControlLogix系统的I/O模块。

选择I/O 模块时，需注意罗克韦尔自动化提供各种数字量、模拟量和专用I/O模块。

这些I/O模块的功能包括：现场诊断、电子熔断、单独隔离的输入/输出。

需要可拆卸端子块(RTB)或1492接线系统与I/O模块配合使用。

可使用1492 PanelConnect 模块和电缆将输入模块连接到传感器。

本设计所使用的I/O模块为1794-IB16模块和1794-OW8模块，如图3.3所示。

图3.3 输入模块和输出模块
根据设计要求及实验室条件，选用Rockwell Automation公司ControlLogix 系列PLC及相关软件，主要设备有电源模块（1794-P513），适配器（1756-ENBT/A，1756-AENT/A），Logix5561控制器(CPU)，输入模块1756-IB16 (Flex I/O)，输出模块1756-OW8 (Flex I/O)，接线端子，以及电缆和导线等。

3.5I/O分配表
本设计中，交通灯电路部分需要分配I/O端口的参量有：启动停止输入参量(2个intput端口)、交通灯输出参量(6 个output端口)。

由于每一个方向的指示灯中，同种颜色的指示灯运行情况相同，为节省输出点数，采用并联输出法，根据设计情况将I/O端口做如表3.1的分配。

表3.1 系统的I/O分配表
第4章软件设计
本设计中的软件编程主要是针对Rokwell自动化系统中的PLC进行梯形图编程，从而实现控制策略。

主要用到的软件有：1）网络组态软件：RSLinx Classic Gateway； 2）编程软件：RSLogix 5000； 3）上位机组态监控软件：Factory Talk View SE。

4.1通信网络
RSLinx是AB可编程控制器在Windows环境下建立工厂所用通信方案的工具。

它为AB的可编程控制器与各种Rockwell Software，如RSLogix5/500、RSView32、RSBatch等软件建立起通信联系。

RsLinx是一个完善的通信服务软件包,为多种Rockwell软件应用程序提供底层驱动连通性，用户只需简单地选择任意一点接入系统并组态相应的通讯方式，RSLinx即可自动建立整个控制网络的通讯连接。

借助RSiLnx软件，用户在系统任意一点接人，即可对控制网络内所有控制器、智能化现场设备等进行远程访问、编程组态、诊断和维护。

并且，运行RSiLnx的上位机本身即是一个OPC/DDE Sever。

NetLinx开放式网络架构是罗克韦尔自动化使用的开发网络技术，用于从企业级到车间级的信息无缝集成。

作为一种通信协议和开放的软件界面，Netlinx 能实现高效率、无缝地传输信息和控制数据。

通过Netlinx可以在一个网络体系中实现控制、配置和数据采集，并且提供了更多的有效途径将多个网络系统连接起来，而不需要耗费更多的硬件资源和操作。

ControlLogix通过不同的网络通讯模块与NetLinx三层网络架构进行通讯。

ControlLogix通过ENB模块连接到EtherNet/IP网络上，可以与计算机进行通讯；通过CNB模块连接到ControlNet网络上，PLC-5主要用于配置ControlNet网络；通过DNB模块连接到DeviceNet网路上，可以与连接在DeviceNet节点上的传感器、光电开关、塔灯和变频器等进行通讯和操作。

从Communication菜单选择Configure Drivers，将显示Configure Drivers 对话框，从Available Driver Types的下拉菜单中，选择Ethernet/IP Driver，然后点击Add New按钮，如图4.1所示。

图4.1 Configure Drivers界面
在显示的Add New RSlinx Driver对话框中输入一个驱动器名称，然后添加Ethernet/IP通信驱动，如图4.2所示。

图4.2 RSLinx的主界面
4.2控制器硬件组态
Rockwell 系统的核心部分是PLC，几乎所有的编程均是在PLC上进行功能实施。

其中RSLogix 5000软件是Control Logix系列处理器专用的编程开发环境。

利用RSLogix 5000编程软件可以组态Control Logix系统的I/O和通讯模块，以及对Control Logix 5561处理器编程，包括对运动控制编程。

用户可以在上位机中直接进行梯形图编程，指令的添加既可以用拖拽的方式，也可以直接录入指令文本。

同时，RSLogix 5000支持Logix 5000系列可编程控制器。

本设计采用的编程方式为梯形图编程，编程软件为RSLogix 5000，该软件能够通过设备网实现在线调试功能。

本设计中，路口的交通控制策略均会在RSLogix 5000的梯形图编程环境中实现。

创建一个新的控制器文件：
1)从File菜单选择New，显示New Controller对话框。

2)从Type的下拉菜单中选择1756-L61(或1756-L55) ControlLogix Controller。

3)在Revision的下拉菜单中选择17。

4)在Name栏中键入字母和数字组合作为处理器的名字，cxy053。

5)从Chassis Type下拉菜单中选择1756-A10 10-Slot ControlLogix Chassis。

（机架槽数还可能为7槽或13槽此时请对应选择1756-A7 7-Slot ControlLogix Chassis或1756-A13 13-Slot ControlLogix Chassis）
6)在Slot Number栏内选择0，与机架中的控制器模块的位置匹配，如图4.3所示。

图4.3 创建控制器
组态1756-ENBT以太网适配器模块，如图4.4所示。

图4.4 组态1756-ENBT以太网适配器模块
在弹出的菜单中设置1756-ENBT/A以太网适配器模块的IP地址，注意槽号和IP地址一定要设置正确，Electronic选择Disable Keying，如图4.5所示。

图4.5 设置1756-ENBT/A参数
组态1794-FLEX I/O Ethernet/IP适配器模块，如图4.6所示。

图4.6 组态1794-FLEX I/O Ethernet/IP适配器模块
在弹出的菜单中设置1756-ATNT/A以太网适配器模块的IP地址，注意槽号和IP地址一定要设置正确，Electronic选择Disable Keying，如图4.7所示。

图4.7 设置1756-AENT/A参数组态1794-FLEX I/O 输入模块，如图4.8所示。

图4.8 设置1794-IB16参数
组态1794-FLEX I/O 输出模块，如图4.9所示。

图4.9 设置1794-OW8参数
完成上述模块组态后，项目树如图4.10所示。

图4.10 硬件组态结构图
组态完成后，进行梯形图编程，如图4.11所示。

从框图中可以看到，梯形图主程序的主要功能是实现正常情况下的交通控制策略。

图4.11 交通灯控制梯形图程序
4.3监控画面组态
Factory Talk View SE软件是一款强大的实时监控软件，它具有多服务器集群和多客户端的分布式结构和强大的可伸缩性。

应用组态存在于各个服务器当中，而客户端可以任意的调用显示各服务器中的应用，为用户提供集成的一体化的监控方案。

因此本设计中运用Factory Talk View SE对交通路口现场进行远程实时监控。

RSView采用了开放的技术，并提供了先进的、功能齐全的工具允许现场设备的在线修改，如RSView允许在运行时改变图形显示、Tag地址、节点地址以及PLC
网和设备驱动器的组态调整。

RSView利用Microsoft Windows操作系统的多任务环境加上自己功能完善的多形式数据记录、实时与历史趋势、报警监控和事件检测等来完成监控系统的控制要求，可以成功的实现控制系统的分析、设计和运行监控，监控画面如图4.12所示。

图4.12 监控画面
在完成梯形图编程之后，必须通过RS组态软件与梯形图建立相对应的联系，通过设置按键、图表、显示窗口的途径对梯形图程序实现结果和各种中间参数实行实时监控，并能对实际电路中交通灯的各种状态加以模拟。

对于大多数本机与远程设备之间的通信，RSview采用OPC或DDE连接，本控制系统采用OPC作为与远程设备的通信方式，使RSView可以作为一个客户端或服务器，允许在不同的RSView以及其他OPC服务器之间进行点对点通信，本系统将RSLinx作为OPC Sevrer，要对RSiLnx进行配置，在Conifguer Dirvesr对以太网设备进行配置之后，要进行DDE/OPC服务设置。

第5章系统测试与试验结果
本设计完成硬件组态和梯形图编程后，进行了程序的调试与运行，程序能够成功运行，指示灯能够按照预期的设定点亮。

第一行三个灯分别表示南北红灯，黄灯，绿灯，第二行三个灯分别表示东西红灯，黄灯绿灯。

首先，南北红灯亮维持30秒，在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，并维持25秒，如图5.1所示。

图5.1 南北红灯，东西绿灯亮
到25 秒时，东西方向绿灯闪，闪亮3秒后，绿灯灭，如图5.2所示。

图5.2 东西绿灯闪烁
东西绿灯熄灭的同时，东西黄灯亮，并维持2秒，如图5.3所示。

图5.3 东西黄灯亮
到2秒时，东西黄灯灭，东西红灯亮。

同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。

东西红灯亮维持30秒，南北绿灯亮维持25秒，如图5.4所示。

图5.4 南北绿灯，东西红灯亮
南北绿灯闪亮3秒，再熄灭，如图5.5所示。

图5.5 南北绿灯闪烁
南北黄灯亮，并维持2秒后熄灭，如图5.6所示。

图5.6 南北黄灯亮
南北黄灯熄灭后，南北红灯亮，东西绿灯亮，到停止按钮被按下为止。

第6章课程设计总结
本设计提出了一种交通灯控制系统的设计方案，目的主要是控制交通灯的闪烁，输入程序后可以使交通灯按照预定的顺序进行自动控制，达到指示车辆的目的。

本设计使用了6个指示灯，来模拟交通灯的运行过程，使其能按顺序进行亮灭。

设计采用Rockwell自动化控制系统的三层网络结构，以太网将与控制计算机相连接，作为控制中枢，控制网除连接系统自带的辅助设备外，主要起到使以太网和设备网完成通信的目的，所有的交通灯将连接到设备网，完成在正常情况下对十字路口红绿灯进行交通控制的基本任务。

本设计中将控制器、逻辑编程软件、远程监控软件及以太网技术综合应用到交通路口的协调控制，但各路口控制系统保持相对独立，便于模块化处理，使该系统的可维护性、通用性和可移植性都得到进一步的提高。

本系统有较强的抗干扰能力，结构简单紧凑，操作方便；可实现自动控制，具有一定的智能性；对优化城市交通具有一定的借鉴参考意义。

软件上采用RSLogix 5000编程软件，采用梯形图编程，实现设计所要求的功能。

组态界面拥有很多独特的功能模块，能够帮助编程者尽量简化程序长度，从而提高了程序的可靠性。

监控界面采用RSView组态软件，利用其良好的通用性及可扩展性完成了系统的监控功能。

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